单例模式（Single Pattern）

说明：本文为《设计模式之禅》的阅读笔记，主要总结精华和记录自己的部分理解。文中代码部分主要由Kotlin实现。

1. 定义

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.
确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

单例模式通用类图

代码清单1 单例模式

// Kotlin中实现单例模式就比较简单，只需要定义一个object对象表达式即可，无需手动设置构造器私有化和提供全局的访问点
object Singleton {
    fun doSomething() {
        println("do some thing")
    }

    private fun readResult(): Any {
        return Singleton
    }
}


// 在Kotlin中使用Singleton
fun main(args: Array) {
    println("Hello World!")
    Singleton.doSomething() // 像调用静态方法一样，调用单例类中的方法
}

代码清单2 Singleton 反编译成 Java 代码

public final class Singleton {
   @NotNull
   public static final Singleton INSTANCE;

   public final void doSomething() {
      String var1 = "do some thing";
      System.out.println(var1);
   }

   private final Object readResult() {
      return INSTANCE; // 可以看到readResult方法直接返回了INSTANCE而不是创建新的实例
   }

   private Singleton() {
   }

   static {
       // 静态代码块初始化Singleton实例
       // 只要Singleton被加载了，静态代码块就会被调用，Singleton实例就会被创建，并赋值给INSTANCE
      Singleton var0 = new Singleton();
      INSTANCE = var0;
   }
}

2. 优点

• 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支
  特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。

• 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销
  当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）。

• 单例模式可以避免对资源的多重占用
  例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

• 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问
  例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

3. 缺点

• 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。
  单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例，接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。

• 单例模式对测试不利。
  在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。

• 单例模式与单一职责原则有冲突。
  一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

4. 单例模式的使用场景

• 要求生成唯一序列号的环境
• 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据
  例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的。
• 创建一个对象需要消耗的资源过多
  如要访问IO和数据库等资源。
• 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

5. 注意事项

• 在高并发情况下，请注意单例模式的线程同步问题
  单例模式有几种不同的实现方式，有的不会出现产生多个实例的情况，但是有的实现方式就需要考虑线程同步。 （懒汉式单例模式可能存在多个线程同时调用单例模式中的方法创建实例，就会产生两个实例。）

代码清单3 线程安全的懒汉式单例

class LazySingleton private constructor() {

    companion object {
        private var lazyInstance: LazySingleton? = null
            get() {
                return field ?: LazySingleton()
            }

        @JvmStatic
        @Synchronized // 添加synchronized同步锁
        fun getInstance(): LazySingleton {
            return requireNotNull(lazyInstance)
        }
    }

    fun doSomething() {
        println("do some thing")
    }
}


//在Kotlin中调用
fun main(args: Array) {
    LazySingleton.getInstance()
}

• 需要考虑对象的复制情况
  在Java中，对象默认是不可以被复制的，若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制是不用调用类的构造函数，因此即使是私有的构造函数，对象仍然可以被复制。在一般情况下，类复制的情况不需要考虑，很少会出现一个单例类会主动要求被复制的情况，解决该问题的最好方法就是单例类不要实现Cloneable接口。

6. 单例模式的扩展

• 有上线的多例模式

需要产生固定数量对象的模式

采用有上限的多例模式，我们可以在设计时决定在内存中有多少个实例，方便系统进行扩展，修正单例可能存在的性能问题，提供系统的响应速度。例如读取文件，我们可以在系统启动时完成初始化工作，在内存中启动固定数量的reader实例，然后在需要读取文件时就可以快速响应。

附1：思维导图

单例模式（Single Pattern）

附2：代码实现 https://github.com/ooxiaoyan/singlepattern.git